[發(fā)明專利]一種直流電場誘導(dǎo)合金定向凝固生長、強(qiáng)化合金精煉過程的工藝

有效

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• 申請日: 2016-03-08
• 公開（公告）號: CN105819451B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李佳艷;倪萍;譚毅;王亮
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司21212
• 代理人: 趙淑梅,李洪福

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于冶金法技術(shù)生長提純多晶硅技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種直流電場誘導(dǎo)合金定向凝固生長、強(qiáng)化合金精煉過程的工藝。

背景技術(shù)

冶金法是針對制造太陽能級多晶硅而提出的一種專屬提純工藝。該方法使用冶金級硅(MG-Si)為原料，依據(jù)雜質(zhì)與硅物理化學(xué)性質(zhì)的差異性，優(yōu)化集合酸洗、造渣精煉，真空冶煉、載能束熔煉、凝固精煉等方法，逐步降低硅中雜質(zhì)含量，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)高選擇性、梯度式分離，最終制備得到太陽能級硅的材料；

合金凝固精煉方法最早由日本東北大學(xué)Obinata和Komatsu于1957年提出，如今東京大學(xué)、多倫多大學(xué)、大連理工大學(xué)、昆明大學(xué)、中科院過程研究所等多所高校和科研機(jī)構(gòu)的研究者對此進(jìn)行了廣泛的研究。合金凝固精煉主要是利用低溫下雜質(zhì)在Si中具有熱力學(xué)不穩(wěn)定的性質(zhì)，即，隨著溫度的降低，雜質(zhì)的固溶度逐漸降低。嘗試向MG-Si中添加金屬形成硅二元或多元合金熔體，使得Si作為初生相在低于Si熔點(diǎn)下析出，在Si重結(jié)晶過程中利用雜質(zhì)的再分配行為提純MG-Si；

東京大學(xué)的Moria和Yoshikawa對Al-Si合金體系進(jìn)行了深入的熱力學(xué)研究和精煉效果的研究。在1273K精煉溫度下，采用一次Si-Al凝固精煉方法便可去除99％左右的Fe、Ti雜質(zhì)，達(dá)到太陽能級多晶硅中Fe和Ti的允許含量，同時(shí)還可有效去除95％～98.6％的B、P雜質(zhì)，但難以一次達(dá)標(biāo)。Wu等進(jìn)行了Si-Sn合金精煉-定向凝固分離、提純MG-Si的研究，該方法避免了Sn的夾雜污染，將MG-Si中總金屬雜質(zhì)含量由58.3x10^-6ppm降低為7.6x10^-6ppm。Oshima等采用相平衡方法討論了Si中Cu的熱力學(xué)性質(zhì)，1273K溫度下Si中Cu固溶度約為10ppma，同時(shí)采用定向凝固方法在Si-Cu合金中生長得到塊體Si，有效避免了Cu熔劑對初晶硅的污染。Ban等研究了不同電磁場強(qiáng)度下Si-Al合金精煉的除雜過程，研究發(fā)現(xiàn)：具有較小分凝系數(shù)的金屬雜質(zhì)不僅會富集在合金相中，部分雜質(zhì)還會與Si形成類似如Al₇Fe₂Si和Al₅FeSi等化合物的中間相；Zou等采用旋轉(zhuǎn)磁場的加熱方式(RMF)進(jìn)行MG-Si凝固精煉處理，應(yīng)用該技術(shù)可以在Si-Al合金的邊緣部位形成富集SI層，有利于Si與合金相的分離。

雖然目前研究的提純技術(shù)都能將MG-Si提純到一定的效果，精煉溫度下降，能耗也大大降低，但由于引入溶劑金屬，凝固精煉的最終產(chǎn)物是合金相和初晶相，必然會有Si與Al形成共晶相，導(dǎo)致析出的初晶相有限，同時(shí)不可避免造成溶劑金屬Al對初晶硅的夾雜污染，限制了初晶硅與合金的有效分離，使后續(xù)分離程序繁瑣，增加生產(chǎn)成本。同時(shí)傳統(tǒng)定向凝固工藝是通過溫度場控制，由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置的限制，很難保證溫度精準(zhǔn)，從而達(dá)不到理想的定向凝固生長的效果。因此，一種提高提純精度，達(dá)到理想定向凝固生長效果的直流電場誘導(dǎo)合金定向凝固生長、強(qiáng)化合金精煉過程的工藝亟待研發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種直流電場誘導(dǎo)合金定向凝固生長、強(qiáng)化合金精煉過程的工藝。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種直流電場誘導(dǎo)合金定向凝固生長、強(qiáng)化合金精煉過程的工藝，其特征在于具有如下步驟：

S1、選擇一種或者幾種金屬元素，與元素Si形成合金；

S2、根據(jù)合金相圖，選擇所需合金配比，并根據(jù)該配比，配制熔煉得到Si-M母合金；

S3、選擇石墨坩堝作為熔煉坩堝，石墨坩堝內(nèi)側(cè)壁絕緣，在石墨坩堝底部放置高純硅的碎晶作為襯底，再將Si-M母合金置于石墨坩堝中；

S4、將Si-M母合金加熱至相應(yīng)的液相線溫度，得到Si-M合金熔體，將石墨電極Ⅰ插入所述Si-M合金熔體中，啟動直流電源，所述石墨電極Ⅰ和石墨坩堝分別接直流電源的兩極，可根據(jù)金屬M(fèi)與Si的電負(fù)性差異調(diào)整正負(fù)極的方向，以保證晶體硅能在坩堝底部形核并生長，所述相應(yīng)的液相線溫度是指在合金相圖中，所需合金配比成分所對應(yīng)的液相線溫度；

S5、由石墨坩堝頂部向Si-M合金熔體中加入原料硅，保持所述液相線溫度下Si-M合金熔體的配比，同時(shí)保持晶體硅的連續(xù)生長；

S6、待生長結(jié)束后，關(guān)閉熱源，冷卻凝固后關(guān)閉直流電源。

所述金屬元素包括元素Al、Sn、Fe、Cu和Zn。

通過在所述石墨坩堝的內(nèi)側(cè)壁設(shè)置絕緣套管使石墨坩堝內(nèi)側(cè)壁絕緣。

所述石墨坩堝的底部外壁設(shè)有石墨電極Ⅱ，所述石墨坩堝通過所述石墨電極Ⅱ與直流電源連接。